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2011.9计算机硬件基础知识计算机硬件基础知识2计算机硬件基础知识计算机硬件基础知识 1.2.1 计算机基本结构 1.2.3 存储器及其管理 1.2.4 总线、外设和接口 1.2.5 计算机技术的发展计算机硬件基础知识3冯冯 诺伊曼模式诺伊曼模式1946年年，美美籍籍匈匈牙牙利利科科学学家家冯冯 诺诺伊伊曼曼（John von Neumann）指指出出一一个个通通用用计计算算机机应应由由运运算算器器、控控制制器器、存存储储器器、输输入入设设备备和和输输出出设设备备等等组组成成，并并采采用用程程序序存存储储和和控控制制的的方方式式进进行行运运算算。这种计算机框架模式被称为冯这种计算机框架模式被称为冯 诺伊曼模式。诺伊曼模式。微微型型计计算算机机仍仍然然沿沿袭袭了了冯冯 诺诺伊伊曼曼模模式式。通通常常将将中中央央处处理理器器和和内内存存储储器器合合在在一一起起称称为为主主机机，将将外外存存储储器器、输输入入设设备备和和输输出出设设备备等等称称为为计计算算机机外部设备，简称外部设备，简称外设外设。计算机硬件基础知识4计算机系统基本组成计算机系统基本组成计算机系统：硬件和软件计算机系统：硬件和软件 硬件：中央处理单元、输入接口和设备、输硬件：中央处理单元、输入接口和设备、输出接口和设备、以及存储器等出接口和设备、以及存储器等软件：程序、文件以及有关的文档资料软件：程序、文件以及有关的文档资料图示计算机硬件基础知识5 计算机硬件基本组成计算机硬件基本组成存储器、运算器、控制器、输入存储器、运算器、控制器、输入设备与设备与输输出出设备等五大部分设备等五大部分中央处理器中央处理器(CPU)运算器、控制器制作在同一芯片内运算器、控制器制作在同一芯片内早期：以控制器、运算器为机器的中心早期：以控制器、运算器为机器的中心快速中央处理在等待慢速的外围设备快速中央处理在等待慢速的外围设备 控制器的负担过重控制器的负担过重改成以主存储器为中心改成以主存储器为中心系统的输入输出与系统的输入输出与CPU的运算并行的运算并行多种输入和输出并行多种输入和输出并行 图示计算机硬件基础知识6程序和数据的存储程序和数据的存储程序存储程序存储 和和 程序控制程序控制存储器基本存储单元存储器基本存储单元每个存储单元一个地址每个存储单元一个地址按地址访问存储单元内容按地址访问存储单元内容地址、地址总线和寻址能力地址、地址总线和寻址能力计算机计算机存储器存储器及其作用：及其作用：高速缓存、主存高速缓存、主存(内存）、辅存内存）、辅存(外存外存)存储数据和指令存储数据和指令计算机硬件基础知识7指令系统指令系统指令指令操作码操作码操作数操作数计算机硬件基础知识8指令的执行指令的执行计算机硬件基础知识9存储器及其管理存储器及其管理 用二进制表示信息用二进制表示信息容量单位容量单位（位、字节、（位、字节、KB、MB、GB、TB）1存储器器件的变革存储器器件的变革2.现代信息存储技术现代信息存储技术 3存贮器的层次结构存贮器的层次结构 4高速缓冲存储器技术高速缓冲存储器技术5虚拟存储技术虚拟存储技术计算机硬件基础知识10 存储器及其管理存储器及其管理 1 1存储器器件的变革存储器器件的变革(1)(1)存储器器件的基本要求存储器器件的基本要求能表示两个状态（电路、磁性体、光器件能表示两个状态（电路、磁性体、光器件）能保持状态的稳定能保持状态的稳定（磁性体最佳）（磁性体最佳）在控制条件下可以实现状态转换在控制条件下可以实现状态转换 存储器器件变革存储器器件变革电子器件：电子器件：40年代，速度快，容量小，不能停电年代，速度快，容量小，不能停电磁芯存储器磁芯存储器 50年代年代 半导体存储器半导体存储器 60年代年代、速度快、体积小、耗电省、速度快、体积小、耗电省即即RAM芯片或芯片或ROM芯片芯片 计算机硬件基础知识11存储器及其管理存储器及其管理 1 1存储器器件的变革存储器器件的变革(2)(2)内存半导体存储器类型内存半导体存储器类型DRAM（Dynamic）电容充放电、结构简单、容量大、功耗小电容充放电、结构简单、容量大、功耗小用于内存用于内存SRAM（Static）集成度低、成本高、功耗较大集成度低、成本高、功耗较大用于用于CacheDDR双倍数据速率内存双倍数据速率内存DDR2DDR3计算机硬件基础知识12存储器及其管理存储器及其管理2.2.现代存储技术现代存储技术直接连接存储技术直接连接存储技术磁盘：大容量、高转速磁盘：大容量、高转速磁带：成本低、灵活方便、易于保存磁带：成本低、灵活方便、易于保存光盘光盘移动存储技术移动存储技术大容量、高速度、高便携带性大容量、高速度、高便携带性闪存卡闪存卡、磁光技术移动产品磁光技术移动产品、闪盘闪盘、移动硬盘移动硬盘网络存储技术：网络存储技术：网络附加存储网络附加存储NAS(network add-on storage)存储区域网络存储区域网络SAN(storage area network)计算机硬件基础知识13存储器及其管理存储器及其管理 3.3.存贮器的层次结构存贮器的层次结构存储器容量与速度的矛盾存储器容量与速度的矛盾三层结构：三层结构：CacheMemoryDisk计算机硬件基础知识14存储器及其管理存储器及其管理4.4.高速缓冲存储器技术高速缓冲存储器技术解决快速解决快速CPU和低速内存之间的矛盾和低速内存之间的矛盾 多级高速缓存多级高速缓存 http:/ Cache的的“命中率命中率”的问题的问题：各级缓存和内存间内容保持一致的问题各级缓存和内存间内容保持一致的问题 同步更新内存内容同步更新内存内容 滞后更新内容的方法滞后更新内容的方法图示计算机硬件基础知识15存储器及其管理存储器及其管理 5.5.虚拟存储技术虚拟存储技术 用外存用外存(硬盘硬盘)模拟内存模拟内存目的：扩大内存容量目的：扩大内存容量虚拟内存实现的方法虚拟内存实现的方法暂时不用的内存数据存入外存暂时不用的内存数据存入外存需要时从外存调入内存运行需要时从外存调入内存运行得失：增加内存容量、降低运行速度得失：增加内存容量、降低运行速度计算机硬件基础知识16总线、外设和接口总线、外设和接口 1CPU内部总线内部总线2.外部设备外部设备3.主机板上的扩展总线主机板上的扩展总线4.硬盘接口硬盘接口5.USB外设接口外设接口计算机硬件基础知识17 总线、外设和接口总线、外设和接口 1 1CPUCPU内部总线（内部总线（1 1）总线：计算机内部各个模块相互交换信总线：计算机内部各个模块相互交换信息的公共通道息的公共通道计算机硬件基础知识18总线、外设和接口总线、外设和接口 1 1 CPUCPU内部总线（内部总线（2 2）总线类型总线类型数据总线数据总线DB地址总线地址总线AB控制总线控制总线CB总线的管理：申请、等待、判定、交用总线的管理：申请、等待、判定、交用计算机硬件基础知识19 总线、外设和接口总线、外设和接口 2 2外部设备外部设备外存储器：软盘、外存储器：软盘、硬盘硬盘、光盘和磁带机、光盘和磁带机 输入设备：输入设备：键盘和鼠标键盘和鼠标输出设备：输出设备：显示器显示器和和打印机打印机其他设备：其他设备：绘图机、绘图机、扫描仪扫描仪、摄像头、照片输出机、数码照、摄像头、照片输出机、数码照相机、音响相机、音响声卡、调制解调器、网卡声卡、调制解调器、网卡等等等等 计算机硬件基础知识20 总线、外设和接口总线、外设和接口 3 3个人计算机的扩展总线个人计算机的扩展总线两个问题：两个问题：主板如何与外围设备进行高速数据交换主板如何与外围设备进行高速数据交换主板上如何扩展计算机的功能主板上如何扩展计算机的功能计算机硬件基础知识21扩展总线的发展扩展总线的发展年份年份性能性能19801990PC/XT BusISA BusEISA BusMCA BusVL-BusPCI BusVL-Bus2.08位16位32位64位计算机硬件基础知识22各种扩展总线的性能比较各种扩展总线的性能比较计算机硬件基础知识23PCMCIA总线总线小、薄、轻环境下的总线系统小、薄、轻环境下的总线系统 用于便携式计算机用于便携式计算机个人计算机存储卡国际联盟个人计算机存储卡国际联盟Personal Computer Memory Card International Association计算机硬件基础知识24 4.从从RS232到到USB接口接口RS-232C：通用的串行端口通用的串行端口 COMUSB：通用串行总线通用串行总线（Universal Serial Bus）由由Intel提出的一种提出的一种新型接口标准，目前已是主流规范新型接口标准，目前已是主流规范使所有的低速设备都可以连接到统一接口上使所有的低速设备都可以连接到统一接口上 支持功能传递，可以相互连接成串支持功能传递，可以相互连接成串为设备提供电源为设备提供电源 具有热插拔功能具有热插拔功能以树状结构连接以树状结构连接127个几乎目前所有种类的外设个几乎目前所有种类的外设 最大数据传输速率为最大数据传输速率为12Mbps USB 2.0的数据传输速率可达到的数据传输速率可达到480MbpsUSB3.0标准理论传输速率可达标准理论传输速率可达4.8GbpsIEEE 1394：另一个用于高速传输数据的串行接口标准另一个用于高速传输数据的串行接口标准数据传输速率可达到数据传输速率可达到400Mbps。计算机硬件基础知识25计算机技术的发展计算机技术的发展摩尔定律摩尔定律Intel创始人摩尔创始人摩尔1965年提出年提出预言单位平方英寸芯片的晶体管数每过预言单位平方英寸芯片的晶体管数每过1824个月就增加一倍个月就增加一倍超线程技术超线程技术(Hyper-Threading)迅驰技术迅驰技术双核处理器双核处理器(Dual Core Processor)和多核处和多核处理器理器计算机硬件基础知识26计算机硬件基础知识27个人计算机个人计算机嵌入式系统嵌入式系统超级计算机超级计算机计算机硬件基础知识28实验与作业要求实验与作业要求（继续前面未完成的任务）（继续前面未完成的任务）计算机应用基础教程计算机应用基础教程1111版版习题（本节相关）习题（本节相关）计算机硬件基础知识29计算机硬件基础知识30磁芯存储器磁芯存储器计算机硬件基础知识31半导体存储器半导体存储器计算机硬件基础知识32闪存卡闪存卡基于半导体技术基于半导体技术特性：低功耗、高可靠性、高存储密度、特性：低功耗、高可靠性、高存储密度、高读写速度高读写速度数码相机、数码相机、MP3、PDA(Personal Digital Assistant)Compact Flash(CF)卡卡Smart Media(SM)卡卡Multi Media Card(MMC)索尼公司索尼公司的的Memory Stick(MS)计算机硬件基础知识33磁光技术移动存储产品磁光技术移动存储产品专业应用专业应用产品类别产品类别磁阻技术的磁阻技术的ORB结合光学与电磁学可重复擦写存储技术的结合光学与电磁学可重复擦写存储技术的MO体积小巧的体积小巧的Click!IBM的的Microdrive使用了使用了DVD技术的技术的Dataplay 计算机硬件基础知识34闪盘闪盘USB接口接口整合闪存芯片、整合闪存芯片、USB I/O控制芯片控制芯片容量：容量：16MB2GB深圳朗科公司开发的优盘深圳朗科公司开发的优盘(OnlyDisk)华旗资讯的爱国者迷你王华旗资讯的爱国者迷你王(MiniKing)等等 计算机硬件基础知识35移动硬盘移动硬盘USB接口接口IEEE1394接口接口计算机硬件基础知识36RAM(Random Access Memory)随机存储器随机存储器CPUCache计算机硬件基础知识37从从8位的位的PC总线到总线到16位位ISA总线系统总线系统PC/XT总线总线80年代初年代初IBM PC/XT计算机计算机ISA总线总线工业标准体系结构工业标准体系结构(Industry Standard Architecture)为为16位的位的286 PC/AT计算机开发计算机开发计算机硬件基础知识38PCI总线系统总线系统1993年，年，Intel等等推出推出外围部件互连外围部件互连(Peripheral Component Interconnect)特性特性 比比VL-Bus更优秀，主要供更优秀，主要供Pentium使用使用 总线通过总线通过“PCI桥桥”与微处理器相连，不会过热与微处理器相连，不会过热 增加了高速的读增加了高速的读/写缓冲器，解决数据延迟问题写缓冲器，解决数据延迟问题 支持支持64位数据传输，数据传输率位数据传输，数据传输率267MbpsVL-BusPCI-Bus计算机硬件基础知识39硬盘上使用的硬盘上使用的IDE接口线和插头接口线和插头计算机硬件基础知识40硬盘和光盘硬盘和光盘 硬盘硬盘高速、大容量，高速、大容量，80GB200GB硬盘接口硬盘接口http:/ Drive Electric）接口接口SCSI（Small Computer System Interface）接口接口光纤通道光纤通道SATA 光驱的接口与硬盘的相同光驱的接口与硬盘的相同图示计算机硬件基础知识41 软盘软盘 软盘：移动存储设备软盘：移动存储设备3.5英寸，英寸，1.44MB需要有相应的软盘驱动器需要有相应的软盘驱动器软盘的写保护软盘的写保护计算机硬件基础知识42显示器、显示卡、键盘和鼠标显示器、显示卡、键盘和鼠标显示器：显示器：参数：尺寸、分辨率、材料类型参数：尺寸、分辨率、材料类型 显示卡显示卡模拟接口与数字接口模拟接口与数字接口AGP图形加速显示卡图形加速显示卡显示内存显示内存 键盘：键盘：101/102键、键、Windows键、无线键盘键、无线键盘 鼠标：机械的、光电的、无线遥控鼠标：机械的、光电的、无线遥控 计算机硬件基础知识43 打印机、扫描仪打印机、扫描仪打印机打印机 扫描仪：扫描仪：性能指标：分辨率、色彩位数性能指标：分辨率、色彩位数、扫描幅面扫描幅面、扫描速度、扫描速度 分类：手持式扫描仪、平板扫描仪、滚筒扫描分类：手持式扫描仪、平板扫描仪、滚筒扫描仪仪计算机硬件基础知识44声卡：声卡：多媒体功能必不可少的，用于录音和放音多媒体功能必不可少的，用于录音和放音技术指标：采样位数、最高采样频率、是否采技术指标：采样位数、最高采样频率、是否采用数字信号处理器（用数字信号处理器（DSP）、FM合成合成+波表（波表（Wave Table）合成、内置混响和功放芯片、合成、内置混响和功放芯片、Internet连接连接调制解调器：电话线上网调制解调器：电话线上网 内置式与外置式内置式与外置式(PC机机)、PCMCIA(便携机便携机)技术指标：速率、差错控制标准技术指标：速率、差错控制标准、数据压缩标、数据压缩标准准、传真（、传真（FAX）功能、兼容性功能、兼容性(美国美国Hayes)网卡网卡：局域网：局域网计算机硬件基础知识45接口接口PS/2口USB口串行口并行口声卡音频接口游戏接口计算机硬件基础知识46U盘盘计算机硬件基础知识47容量单位容量单位1B=8bits(Max:255)1KB=1024B=2101MB=1024KB=2201GB=1024MB=2301TB=1024GB=240计算机硬件基础知识48计算机系统基本组成计算机系统基本组成计算机系统计算机软件系统计算机硬件系统系统软件应用软件中央处理器存储器输入设备输出设备计算机硬件基础知识49存储器存储器内部存储器（内存）随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）高速缓冲存储器（Cache）外部存储器（外存）由软盘、硬盘、U盘、光盘和磁带存储器等组成